EP2825863A1 - Anlage zur entnahme von abgasproben von verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Anlage zur entnahme von abgasproben von verbrennungskraftmaschinen

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EP2825863A1
EP2825863A1 EP13710827.0A EP13710827A EP2825863A1 EP 2825863 A1 EP2825863 A1 EP 2825863A1 EP 13710827 A EP13710827 A EP 13710827A EP 2825863 A1 EP2825863 A1 EP 2825863A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
exhaust
internal combustion
combustion engines
samples
Prior art date
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Application number
EP13710827.0A
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English (en)
French (fr)
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EP2825863B1 (de
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Achim Dickow
Rainer Ballik
Sascha WILLICH
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AVL Emission Test Systems GmbH
Original Assignee
AVL Emission Test Systems GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by AVL Emission Test Systems GmbH filed Critical AVL Emission Test Systems GmbH
Publication of EP2825863A1 publication Critical patent/EP2825863A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2825863B1 publication Critical patent/EP2825863B1/de
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
    • G01N1/2247—Sampling from a flowing stream of gas
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/10—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame
    • G01M15/102—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases
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    • G01N2001/2255—Sampling from a flowing stream of gas in a vehicle exhaust with dilution of the sample

Definitions

  • the invention relates to a system for taking exhaust samples of internal combustion engines with an exhaust gas duct, which is fluidly connected to an exhaust gas source via an exhaust gas inlet, an air duct into which ambient air can be sucked via an air filter, a mixing zone which is arranged downstream of an outflow cross section of the exhaust gas duct, a dilution tunnel, through which an exhaust gas-air mixture flows, wherein a Ausströmquer bain the exhaust passage is arranged substantially concentric in the air passage and downstream of the Ausströmqueritess the exhaust passage in the dilution tunnel, an annular aperture is arranged.
  • Such systems are known, for example, by the term CVS system (constant volume sampling).
  • CVS system constant volume sampling
  • the exhaust gas is always admixed with so much air that a constant total volume flow of the air-exhaust mixture is formed.
  • the samples taken from these systems in bags are analyzed below for their pollutant content.
  • the carbon dioxide, the carbon monoxide, hydrocarbon, the nitrogen oxide content and the particle load are measured.
  • the type of measurements is regulated by law, for example, by the ECE guideline R 83 for the European area or the Code of Federal Regulations Act No. 40 for the US area.
  • DE 10 2009 015 188 AI a system for the removal of exhaust gas samples is described, which can be connected to two different exhaust gas sources, so that via a system both the Particle load of diesel engines and gasoline engines can be measured.
  • the exhaust duct of the system which comes from the diesel engine, ends concentrically in the air duct upstream of a diaphragm. In the region between the outlet cross-section of the exhaust gas duct and the diaphragm, a mixing zone is formed, in which the exhaust gas mixes with the air.
  • the task arises to develop a system with which a representative sampling is ensured in accordance with the law by the formation of areas with poor exhaust gas mixing is avoided.
  • the system should be inexpensive to produce and operate, in particular delivery pumps with relatively low power to promote the two gas streams are sufficient.
  • the means for flow deflection are formed by a body which has a spherical zone and is arranged concentrically in the dilution tunnel.
  • the ball zone By the ball zone, the pressure loss during the deflection of the exhaust gas flow is not substantially increased, so that the driving pressure gradient and thus the power consumption of a feed pump need not be increased. Also, this body achieved particularly good mixing of the two gas streams.
  • the spherical zone is a hemisphere. This design gave particularly good results in the homogenization of the mixture and at the same time reducing the pressure loss.
  • the surface of the spherical zone is electropolished. Furthermore, it is prevented that subsequently dissolving by the deflection means particles falsify the measurement result.
  • this has a central hole. Through this hole, the formation of a pressure loss significantly increasing stagnation point is avoided without significantly worsen the mixing.
  • the spherical zone or the aperture are heated. This is realized particularly simply by arranging a heating foil on the downstream surface of the spherical zone or the diaphragm so that it is not directly exposed to the exhaust gas flow but is protected by the upstream surface. This avoids the formation of condensate on the surfaces that have flowed on, which in turn leads to a reduction in deposits.
  • the flow cross section of the orifice corresponds to 1.2 to 1.8 times the cross section of the means for flow deflection.
  • the distance of the means for flow deflection from the Ausströmquerites the exhaust passage is one third to one fifth of the difference of the diameter of the air duct and the diameter of the exhaust passage. This ensures that the pressure loss during the inflow of the exhaust gas into the air flow is not too large. On the one hand, sufficient exhaust area is made available to the exhaust gas flow and, on the other hand, the deflection angle is sufficiently high to generate turbulence and thus to prevent stratification.
  • an excessive pressure loss when flowing through the aperture is prevented by the distance of the means for flow deflection to the aperture is one third to one fifth of the diameter of the air channel.
  • a sufficient surface for the exhaust gas-air mixture is provided and on the other hand generated by the relatively close successive deflection in opposite directions turbulence.
  • the means for flow deflection are formed by a plurality of symmetrically arranged to the central axis exhaust ducts.
  • each exhaust pipe Preferably, four exhaust pipes are arranged offset by 90 ° to each other. This creates a sufficiently constant introduction of the exhaust gas over the entire cross section, but with little design effort. Also, this design is easy to assemble.
  • the four exhaust pipes extend in the immediate vicinity of the exhaust duct or in the exhaust duct initially parallel to the central axis and are continuously bent in the following course outside the exhaust duct from the central axis. This continuous bending reduces the pressure losses.
  • the outlet cross-sections of the exhaust pipes to the central axis of the dilution tunnel at an angle of 30 ° to 80 °, which on the one hand sufficient deflection to increase the mixing is ensured and on the other hand, the pressure loss is maintained at the meeting of the two gas streams within reasonable limits, so that the total pressure increase of the blower to promote the gas flow need not be further adjusted.
  • a particularly simple attachment and assembly results when the means for flow deflection are fastened to the panel via at least one, preferably three holders, since the assembly takes place in one step with the panel assembly.
  • a system is provided for taking exhaust gas samples from internal combustion engines, which ensures that representative samples can be taken from the dilution tunnel, since a very good mixing of the two gas streams 5 is ensured.
  • the system is inexpensive to produce and operable, since the installation is simple and relatively small conveyor fan can be used because additional pressure losses are kept small.
  • Figure 1 shows schematically a system according to the invention for the removal 15 of exhaust gas samples in side view.
  • Figure 2 shows an enlarged view of a detail of the system of Figure 1 in the region of the mixing zone in three-dimensional representation.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the mixing zone according to the invention in a three-dimensional representation.
  • the system according to the invention for taking out exhaust gas samples from internal combustion engines for diesel or gasoline engines consists of an exhaust gas inlet 10, via which an exhaust gas channel 12 is fluidically connected to an exhaust gas source 14 which is formed by an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • This exhaust gas channel 12 has an end 16 with an outflow cross section 30 18, which opens concentrically within an air channel 20.
  • this air duct 20 has an opening 22 in its boundary wall 24, through which the exhaust duct 12 projects perpendicularly into the air duct 20.
  • the exhaust duct 12 Around concentric open in the air duct 20, the exhaust duct 12 has a 90 ° deflection.
  • the air duct 20 Upstream of the exhaust duct 12, the air duct 20 has an inlet 26, on which a first air filter 28, which usually comprises three filters, is arranged, through which air can be sucked into the air duct 20.
  • the deflection of the exhaust duct 12 is designed so that the outflow direction of the exhaust gas is directed to the air filter 28 opposite side, so that the air flow and the exhaust flow at Ausströmquerites 18 of the exhaust passage 12 have a common flow direction substantially parallel to the central axis of the air channel 20th runs.
  • means 32 are arranged for deflecting the exhaust gas flow behind the Ausströmquerites 18 of the exhaust passage 12. These can be structurally designed differently, as apparent from the following description of Figures 2 and 3. Regardless of the design of the means 32, these serve to divert the exhaust gas flow in the direction of the air flow, ie with a component in the radial direction of the air channel 20 into the air flow, whereby turbulence occurs and an improvement of the mixing occurs.
  • a diaphragm 34 is arranged, through which the freely flow-through cross-section of the air channel is narrowed, so that the flow rate increases and additional turbulence occurs.
  • These turbulence zones form a mixing zone 36 in which as complete a mixing as possible of the exhaust gas stream takes place in the air stream and which extends to behind the orifice 34.
  • This mixing zone 36 is followed by a dilution tunnel 38, in which a uniform flow of the exhaust gas-air mixture without stratification is present.
  • a sampling probe 40 for taking a sample from the mixed stream.
  • the sample stream recorded via the sampling probe 40 can either be fed via a heatable particle filter to a flame ionization detector, via which the hydrocarbons in the exhaust gas are determined in order to determine the proportions of nitrogen oxides, carbon dioxide and carbon monoxide in the exhaust gas.
  • the particulate emissions are removed and fed to a particle measuring device. The promotion of the analysis flows takes place in each case via separate pumps, not shown.
  • the remaining mixed gas stream passes from the dilution tunnel 38 to a controllable feed pump 42, which is intended to generate a sufficient pressure for conveying the air and the exhaust gas.
  • the mixed gas stream is ejected.
  • a Venturi nozzle in front of the feed pump for setting the desired flow rate.
  • the gas flow is measured by the feed pump at a constant temperature and pressure or constant flow rate.
  • the exhaust gas is diluted in a defined ratio with the ambient air. Sampling takes place in each case proportionally to the flow of the feed pump 42.
  • sampling systems with variable dilution and positive displacement pump are just as well known as dilution systems with critically flowed Venturi tube, as described for example in ECE Guideline R83.
  • the arrangement of the flow controllers, valves, flow, pressure and temperature measuring devices used in these systems is also known and varies depending on the system used, so that these possibilities of regulation are required here as expertise.
  • the present invention is suitable for all these forms of sampling. However, the results of the sampling of such a plant are indeed representative only if it is ensured that the most homogeneous flow possible at the sampling points
  • This hemisphere 44 is located at a distance of 45 mm from the outflow cross section 18 of the exhaust gas channel 12 and has a diameter of approximately 95 mm, while the outflow cross section of the exhaust gas channel 12 is approximately 90 mm.
  • the hemisphere 44 in turn is about 70 mm away from the aperture 34, the free flow diameter is about 150 mm.
  • the hemisphere 44 further has a central hole 46 which prevents the formation of a stagnation point and thus also avoids further pressure loss.
  • the surface of the hemisphere 44 is electro-polished on its side facing the flow on its opposite side coated with a heating foil, so that condensation of exhaust gas is avoided.
  • the hemisphere 44 is attached via three struts 48 to the diaphragm 34, so that the hemisphere 44 can be pre-assembled in a simple manner with the diaphragm 34 and can be used together with the diaphragm 34 concentric with the dilution tunnel 38 in this.
  • FIG 3. An alternative embodiment is shown in FIG 3.
  • the outflow 18 of the exhaust duct 12 are four offset by 90 ° symmetrically mutually arranged exhaust pipes 50 which are initially parallel to the flow direction of the exhaust passage 12 and are bent radially outward beyond the end 16 of the exhaust passage 12, so that the tubes 50 in their course in the flow direction steadily remove from the central axis.
  • the outlet cross sections of the exhaust pipes 50 close to the central axis of the dilution tunnel 38 at an angle of 45 °.
  • the attachment of these exhaust pipes 50 is carried out in advance on a ring 52 which is attached to the exhaust duct 12 during assembly.
  • an attachment via struts on the panel 34 is feasible.
  • This embodiment of the means 32 for flow deflection ensures an axisymmetric inflow of the exhaust gas flow at an angle in the air flow, so that the exhaust gas flow is forced a radial component, which causes the vortexes to arise in a direction that the vortex due to the constriction the aperture 34 is opposite, so that large turbulence arise, which have a very good mixing of the two gas streams result.
  • the constant deflection ensures low pressure losses.
  • Both versions are accordingly suitable for improving the mixing and homogenization of the exhaust gas stream, so that a representative sampling is made possible. This leads to better test results in the analysis of pollutant loads, without the performance of the feed pumps must be increased because existing pressure losses are kept as small as possible.

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Abstract

Es sind Anlagen zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen mit einem Abgaskanal (12), welcher über einen Abgaseinlass (10) mit einer Abgasquelle (14) fluidisch verbunden ist, einem Luftkanal (20), in den über einen Luftfilter (28) Umgebungsluft ansaugbar ist, einer Mischzone (36), die stromabwärts eines Ausströmquerschnitts (18) des Abgaskanals (12) angeordnet ist, einem Verdünnungstunnel (38), durch den ein Abgas-Luft-Gemisch strömt, wobei der Ausströmquerschnitt (18) des Abgaskanals (12) im Wesentlichen konzentrisch im Luftkanal (20) angeordnet ist und stromabwärts des Ausströmquerschnitts (18) des Abgaskanals (12) im Verdünnungstunnel (38) eine Ringblende (34) angeordnet ist, bekannt. Allerdings ist die Durchmischung der beiden Gasströme oft nicht ausreichend. Um eine gute Durchmischung und repräsentative Probenahme sicher zu stellen, wird daher vorgeschlagen, dass stromaufwärts der Blende (34) und stromabwärts des Ausströmquerschnitts (18) des Abgaskanals (12) Mittel (32, 44, 50) angeordnet sind, über welche der Abgasstrom derart abgelenkt wird, dass sich der Abgasstrom unmittelbar stromabwärts der Mittel (32, 44, 50) achssymmetrisch von der Mittelachse des Verdünnungstunnels (38) entfernt.

Description

B E S C H R E I B U N G
Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen mit einem Abgaskanal, welcher über einen Abgaseinlass mit einer Abgasquelle fluidisch verbunden ist, einem Luftkanal, in den über einen Luftfilter Umgebungsluft ansaugbar ist, einer Mischzone, die stromabwärts eines Ausströmquerschnitts des Abgaskanals angeordnet ist, einem Verdünnungstunnel, durch den ein Abgas-Luft-Gemisch strömt, wobei ein Ausströmquerschnitt des Abgaskanals im Wesentlichen konzentrisch im Luftkanal angeordnet ist und stromabwärts des Ausströmquerschnitts des Abgaskanals im Verdünnungstunnel eine Ringblende angeordnet ist.
Derartige Anlagen sind beispielsweise unter dem Begriff CVS-Anlage (constant volume sampling) bekannt. Bei diesen Anlagen wird dem Abgas immer soviel Luft beigemischt, dass ein konstanter Gesamtvolumenstrom des Luft-Abgas-Gemisches entsteht. Die über diese Anlagen in Beuteln entnommenen Proben werden im Folgenden bezüglich ihrer Schadstoffanteile analysiert. Insbesondere werden der Kohlendioxid-, der Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff-, der Stickoxid-Anteil sowie die Partikelbelastung gemessen. Die Art der Messungen ist gesetzlich beispielsweise durch die ECE-Richtlinie R 83 für den europäischen Raum oder den Code of federal regulations Gesetz l\lr.40 für den US- amerikanischen Raum geregelt.
So wird in der DE 10 2009 015 188 AI eine Anlage zur Entnahme von Abgasproben beschrieben, die an zwei verschiedene Abgasquellen angeschlossen werden kann, so dass über eine Anlage sowohl die Partikelbelastung von Dieselmotoren als auch von Ottomotoren gemessen werden kann. Der Abgaskanal der Anlage, der vom Dieselmotor kommt, endet konzentrisch im Luftkanal stromaufwärts einer Blende. Im Bereich zwischen dem Austrittsquerschnitt des Abgaskanals und der Blende bildet sich eine Mischzone, in der das Abgas sich mit der Luft mischt.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass in einem derartigen System Strömungssträhnen entstehen können, in denen die Abgasdurchmischung schlechter ist als in anderen Bereichen. Eine gleichmäßige Durchmischung ist somit trotz der relativ langen Laufstrecken nicht gegeben, so dass die Messergebnisse verfälscht werden können.
Daher stellt sich die Aufgabe, eine Anlage zu entwickeln, mit welcher entsprechend der gesetzlichen Vorschriften eine repräsentative Probenentnahme sichergestellt wird, indem die Bildung von Gebieten mit schlechter Abgasdurchmischung vermieden wird. Gleichzeitig soll die Anlage kostengünstig herstellbar und betreibbar sein, insbesondere sollen Förderpumpen mit relativ kleiner Leistung zur Förderung der beiden Gasströme ausreichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass stromaufwärts der Blende und stromabwärts des Ausströmquerschnitts des Abgaskanals Mittel angeordnet sind, über welche der Abgasstrom derart abgelenkt wird, dass sich der Abgasstrom unmittelbar stromabwärts der Mittel achssymmetrisch von der Mittelachse des Verdünnungstunnels entfernt, wird das Abgas direkt in den Luftstrom geleitet, der zuvor aufgrund des in den Luftkanal ragenden Abgaskanals in den äußeren Bereich des Verdünnungstunnels verdrängt wurde, wodurch die Durchmischung deutlich erhöht wird. Durch die Blende erhöht sich anschließend die Geschwindigkeit des Abgas-Luft-Gemisches, wodurch zusätzliche Turbulenzen gebildet werden, was zu einer zusätzlichen Homogenisierung des Mischstroms führt.
Vorzugsweise sind die Mittel zur Strömungsablenkung durch einen Körper gebildet, der eine Kugelzone aufweist und konzentrisch im Verdünnungstunnel angeordnet ist. Durch die Kugelzone wird der Druckverlust bei der Ablenkung der Abgasströmung nicht wesentlich erhöht, so dass das treibende Druckgefälle und somit die Leistungsaufnahme einer Förderpumpe nicht erhöht werden müssen. Auch wurden mit diesem Körper besonders gute Durchmischungen der beiden Gasströme erreicht.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist die Kugelzone eine Halbkugel. Diese Ausführung brachte besonders gute Ergebnisse bei der Homogenisierung der Mischung und gleichzeitiger Reduzierung des Druckverlustes.
Um Partikelablagerungen zu verhindern, ist die Oberfläche der Kugelzone elektropoliert. Des Weiteren wird verhindert, dass sich später von den Ablenkungsmitteln lösende Partikel das Messergebnis verfälschen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Kugelzone weist diese ein zentrales Loch auf. Durch dieses Loch wird die Ausbildung eines den Druckverlust deutlich erhöhenden Staupunktes vermieden, ohne die Durchmischung deutlich zu verschlechtern.
Weiterhin sind vorzugsweise die Kugelzone oder die Blende beheizbar. Dies wird besonders einfach verwirklicht, indem auf der stromabwärtigen Oberfläche der Kugelzone oder der Blende eine Heizfolie angeordnet ist, so dass diese nicht direkt dem Abgasstrom ausgesetzt wird, sondern durch die stromaufwärtige Oberfläche geschützt wird. So wird eine Kondensatbildung auf den angeströmten Oberflächen vermieden, was wiederum zu einer Reduzierung der Ablagerungen führt. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Projektionsfläche der Kugelzone in Richtung der Mittelachse zumindest dem Ausströmquerschnitt des Abgaskanals entspricht, da einerseits sichergestellt wird, dass der gesamte Abgasstrom in Richtung des Luftstroms umgelenkt wird und andererseits eine zusätzliche Einschnürung, die zu einem Druckverlust führen würde, verhindert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung entspricht der Durchströmungsquerschnitt der Blende dem 1,2 bis 1,8-fachen des Querschnitts der Mittel zur Strömungsablenkung. So wird die Durchströmungsgeschwindigkeit erhöht und es werden Turbulenzen erzeugt, die die Durchmischung weiter verstärken, jedoch ohne dass zu große Druckverluste die Folge wären.
In einer weiterführenden Ausführung beträgt der Abstand der Mittel zur Strömungsablenkung vom Ausströmquerschnitt des Abgaskanals ein Drittel bis ein Fünftel der Differenz des Durchmessers des Luftkanals und des Durchmessers des Abgaskanals. So wird sichergestellt, dass der Druckverlust beim Einströmen des Abgases in den Luftstrom nicht zu groß wird. Einerseits wird dem Abgasstrom ausreichend Ausströmfläche zur Verfügung gestellt und andererseits ist der Ablenkwinkel ausreichend hoch um Turbulenzen zu erzeugen und so eine Strähnenbildung verhindern zu können.
Ein zu großer Druckverlust beim Durchströmen der Blende wird dadurch verhindert, dass der Abstand der Mittel zur Strömungsablenkung zur Blende ein Drittel bis ein Fünftel des Durchmessers des Luftkanals beträgt. So wird einerseits eine ausreichende Fläche für das Abgas- Luftgemisch zur Verfügung gestellt und andererseits durch die relativ nah aufeinanderfolgende Umlenkung in entgegengesetzte Richtungen eine Turbulenzbildung erzeugt. In einer zu diesen Ausführungen alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Strömungsablenkung durch mehrere zur Mittelachse symmetrisch zueinander angeordnete Ausströmrohre gebildet. So wird der Druckverlust zusätzlich reduziert, da kein Strömungshindernis hinter dem Abgaskanal angeordnet ist als die Blende. Dennoch wird der Abgasstrom in Richtung des Luftstroms umgeleitet.
Bevorzugt sind vier Ausströmrohre um 90° versetzt zueinander angeordnet. So entsteht eine ausreichend konstante Einleitung des Abgases über den gesamten Querschnitt, jedoch mit geringem konstruktiven Aufwand. Auch ist diese Ausführung leicht zu montieren.
In einer Weiterführung dieser Erfindung erstrecken sich die vier Ausströmrohre in unmittelbarer Nähe des Abgaskanals oder im Abgaskanal zunächst parallel zur Mittelachse und sind im folgenden Verlauf außerhalb des Abgaskanals stetig von der Mittelachse entfernend gebogen. Durch diese stetige Biegung werden die Druckverluste reduziert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung schließen die Austrittsquerschnitte der Ausströmrohre zur Mittelachse des Verdünnungstunnels einen Winkel von 30° bis 80° ein, wodurch einerseits eine ausreichende Ablenkung zur Erhöhung der Durchmischung sichergestellt wird und andererseits der Druckverlust beim Aufeinandertreffen der beiden Gasströme in vertretbaren Grenzen gehalten wird, so dass die Gesamtdruckerhöhung der Gebläse zur Förderung des Gasstroms nicht weiter angepasst werden müssen.
Eine besonders einfache Befestigung und Montage ergibt sich, wenn die Mittel zur Strömungsablenkung über zumindest einen, vorzugsweise drei Halter an der Blende befestigt sind, da die Montage in einem Schritt mit der Blendenmontage erfolgt. Es wird somit eine Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen geschaffen, mit der sichergestellt wird, dass repräsentative Proben aus dem Verdünnungstunnel genommen werden können, da eine sehr gute Durchmischung der beiden Gasströme 5 sichergestellt wird. Andererseits ist die Anlage kostengünstig herstellbar und betreibbar, da die Montage einfach ist und relativ kleine Fördergebläse verwendet werden können, da zusätzliche Druckverluste klein gehalten werden. lo Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Anlage zur Entnahme von Abgasproben sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage zur Entnahme 15 von Abgasproben in Seitenansicht.
Figur 2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt der Anlage aus Figur 1 im Bereich der Mischzone in dreidimensionaler Darstellung.
20 Figur 3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Ausbildung der Mischzone in dreidimensionaler Darstellung.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen für Diesel- oder Ottomotoren besteht aus 25 einem Abgaseinlass 10, über den ein Abgaskanal 12 mit einer Abgasquelle 14 fluidisch verbunden ist, die durch einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs gebildet ist.
Dieser Abgaskanal 12 weist ein Ende 16 mit einem Ausströmquerschnitt 30 18 auf, welches konzentrisch innerhalb eines Luftkanals 20 mündet. Dazu weist dieser Luftkanal 20 eine Öffnung 22 in seiner Begrenzungswand 24 auf, durch die der Abgaskanal 12 senkrecht in den Luftkanal 20 ragt. Um konzentrisch im Luftkanal 20 zu münden, weist der Abgaskanal 12 eine 90°-Umlenkung auf.
Stromaufwärts des Abgaskanals 12 weist der Luftkanal 20 einen Einlass 26 auf, an dem ein üblicherweise aus drei Filtern bestehender, erster Luftfilter 28 angeordnet ist, über den Luft in den Luftkanal 20 eingesaugt werden kann. Die Umlenkung des Abgaskanals 12 ist so ausgeführt, dass die Ausströmrichtung des Abgases zur zum Luftfilter 28 entgegengesetzten Seite gerichtet ist, so dass die Luftströmung und die Abgasströmung am Ausströmquerschnitt 18 des Abgaskanals 12 eine gemeinsame Strömungsrichtung aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Mittelachse des Luftkanals 20 verläuft.
In Strömungsrichtung sind hinter dem Ausströmquerschnitt 18 des Abgaskanals 12 Mittel 32 zur Ablenkung der Abgasströmung angeordnet. Diese können konstruktiv unterschiedlich ausgebildet werden, wie aus der folgenden Beschreibung der Figuren 2 und 3 hervorgeht. Unabhängig von der Ausführung der Mittel 32 dienen diese dazu, den Abgasstrom in Richtung des Luftstroms, also mit einer Komponente in radialer Richtung des Luftkanals 20 in den Luftstrom abzulenken, wodurch Turbulenzen entstehen und eine Verbesserung der Durchmischung auftritt.
Hinter diesen Mitteln 32 zur Strömungsablenkung ist eine Blende 34 angeordnet, durch welche der frei durchströmbare Querschnitt des Luftkanals verengt wird, so dass sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und zusätzliche Turbulenzen entstehen. Diese Turbulenzzonen bilden eine Mischzone 36, in der eine möglichst vollständige Vermischung des Abgasstroms im Luftstrom erfolgt und die sich bis hinter die Blende 34 zieht.
An diese Mischzone 36 schließt sich ein Verdünnungstunnel 38 an, in dem ein gleichmäßiger Strom des Abgas-Luft-Gemisches ohne Strähnenbildung vorhanden ist. Im Verdünnungstunnel 38 ist zentral zur Mittelachse eine Probenahmesonde 40 zur Entnahme einer Probe aus dem Mischstrom angeordnet. Der über die Probenahmesonde 40 aufgenommene Probestrom kann entweder über einen beheizbaren Partikelfilter einem Flammenionisationsdetektor zugeführt werden, über den die Kohlenwasserstoffe im Abgas bestimmt werden, um die Anteile an Stickoxiden, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid im Abgas zu ermitteln. Über die Probenahmesonde 40 werden die Partikelemissionen entnommen und einer Partikelmesseinrichtung zugeführt. Die Förderung der Analyseströme erfolgt jeweils über nicht dargestellte separate Pumpen.
Der übrige Mischgasstrom gelangt vom Verdünnungstunnel 38 zu einer regelbaren Förderpumpe 42, die zur Erzeugung eines ausreichenden Druckes zur Förderung der Luft und des Abgases bestimmt ist. Hier wird der Mischgasstrom ausgestoßen. Neben einer geregelten Förderpumpe 42 ist es ebenfalls möglich, vor der Förderpumpe eine Venturidüse zur Einstellung des gewünschten Förderstroms anzuordnen.
Es wird noch darauf hingewiesen, dass der Gasdurchfluss durch die Förderpumpe bei konstanter Temperatur und konstantem Druck beziehungsweise konstantem Volumenstrom gemessen wird. In jedem Fall wird das Abgas in einem definierten Verhältnis mit der Umgebungsluft verdünnt. Die Probenahme erfolgt jeweils proportional zum Durchfluss der Förderpumpe 42. Hierzu sind Probenahmesysteme mit variabler Verdünnung und Verdrängerpumpe ebenso bekannt wie Verdünnungssysteme mit kritisch durchströmten Venturirohr, wie sie beispielsweise in der ECE Richtlinie R 83 beschrieben werden. Die Anordnung der in diesen Anlagen verwendeten Durchflussreglern, Ventilen, Durchfluss-, Druck- und Temperaturmessgeräten ist ebenfalls bekannt und je nach verwendetem System unterschiedlich, so dass diese Möglichkeiten der Regelung hier als Fachwissen vorausgesetzt werden. Die vorliegende Erfindung ist für alle diese Formen der Probenahme geeignet. Die Ergebnisse der Probenahme einer solchen Anlage sind jedoch nur dann tatsächlich repräsentativ, wenn sichergestellt wird, dass eine möglichst homogene Strömung an den Probenentnahmestellen
5 vorhanden ist, also eine gute Durchmischung des Abgasstroms im Luftstrom sichergestellt wird und eine Strähnenbildung zuverlässig vermieden wird. Wie bereits ausgeführt erfolgt dies erfindungsgemäß mit Hilfe der Mittel 32 zur Strömungsablenkung. Diese werden in der Ausführung gemäß der Figur 2 durch einen Körper gebildet der o Kugelzonenförmig ist, im vorliegenden Fall eine Halbkugel 44 bildet, deren konvexe Oberfläche zum Abgaskanal 12 hin gerichtet ist.
Diese Halbkugel 44 befindet sich in einem Abstand von 45 mm zum Ausströmquerschnitt 18 des Abgaskanals 12 und weist einen 5 Durchmesser von ca. 95 mm auf, während der Ausströmquerschnitt des Abgaskanals 12 etwa 90 mm beträgt. Die Halbkugel 44 wiederum ist etwa 70 mm von der Blende 34 entfernt, deren freier Durchströmungsdurchmesser etwa 150 mm beträgt. Diese Abmessungen wurden in Abhängigkeit des Durchmessers des Luftkanals 20 festgelegt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel 273 mm beträgt, so dass der Durchströmungsquerschnitt der Blende 34 etwa dem 1,6-fachen des Querschnitts der Mittel 32 zur Strömungsablenkung entspricht, der Abstand der Mittel 32 zur Strömungsablenkung vom Ausströmquerschnitt 18 des Abgaskanals 12 etwa ein Viertel der Differenz des Durchmessers des Luftkanals 20 und des Durchmessers des Abgaskanals 12 beträgt und der Abstand der Mittel 32 zur Strömungsablenkung zur Blende 34 etwa ein Viertel des Durchmessers des Luftkanals 20 beträgt.
Diese genannten Verhältnisse sorgen einerseits dafür, dass die zur Verfügung stehende freie Zylinderfläche zum Ausströmen des Abgases aus dem Zwischenraum zwischen dem Abgaskanal 12 und der Halbkugel 44 größer ist als die Ausströmfläche aus dem Abgaskanal 12, wodurch der Druckverlust gering gehalten wird, andererseits jedoch auch dafür, dass der Abstand klein genug bleibt, um eine deutliche Strömungsablenkung nach radial außen an der Halbkugel 44 zu erzeugen, so dass der Abgasstrom in den Luftstrom gedrückt wird, wodurch Turbulenzen entstehen. Des Weiteren wird auch der zur Verfügung stehende Raum zur Durchströmung für das Abgas-Luftgemisch ausreichend groß gehalten, indem die Zylinderfläche zwischen der Blende 34 und der Halbkugel 44 etwa so groß gehalten wird wie der freie Durchströmungsquerschnitt parallel zur Mittelachse in Höhe der Halbkugel 44, so dass auch hier keine zu hohen Druckverluste entstehen. Die ohnehin noch Wirbel behaftete Strömung des Abgas-Luftgemisches wird in diesem Bereich durch die Blende 34 wieder nach radial innen gerichtet, wodurch Wirbel in entgegengesetzter Richtung entstehen, was endgültig zu Turbulenzen führt, die eine sehr gute Durchmischung sicherstellen. Diese Turbulenzen bleiben noch in einem gewissen Abstand hinter der Blende aufrecht erhalten. Dieser Bereich, in dem das Abgas in die Luft einströmt und sich mit dieser mischt, bildet die Mischzone 36.
Die Halbkugel 44 weist des Weiteren ein zentrales Loch 46 auf, welches das Entstehen eines Staupunktes verhindert und somit ebenfalls einen weiteren Druckverlust vermeidet. Die Oberfläche der Halbkugel 44 ist auf ihrer zur Strömung gerichteten Seite elektropoliert auf ihrer entgegengesetzten Seite mit einer Heizfolie beschichtet, so dass Kondensieren von Abgas vermieden wird. Die Halbkugel 44 ist über drei Streben 48 an der Blende 34 befestigt, so dass die Halbkugel 44 auf einfache Weise mit der Blende 34 vormontiert und gemeinsam mit der Blende 34 konzentrisch zum Verdünnungstunnel 38 in diesen eingesetzt werden kann. Durch diese Mittel 32 und deren Anordnung im Kanal 20 wird sichergestellt, dass eine zur Mittelachse symmetrische Strömungsablenkung des Abgases erfolgt, was eine gleichmäßige Durchmischung mit der Luft sicherstellt.
Eine alternative Ausführung zeigt die Figur 3. Im Ausströmquerschnitt 18 des Abgaskanals 12 befinden sich vier um 90° versetzt symmetrisch zueinander angeordnete Ausströmrohre 50, die zunächst parallel zur Durchströmungsrichtung des Abgaskanals 12 verlaufen und hinter dem Ende 16 des Abgaskanals 12 nach radial außen gebogen sind, so dass sich die Rohre 50 in ihrem Verlauf in Strömungsrichtung stetig von der Mittelachse entfernen. Die Austrittsquerschnitte der Ausströmrohre 50 schließen dabei zur Mittelachse des Verdünnungstunnels 38 einen Winkel von 45° ein. Die Befestigung dieser Ausströmrohre 50 erfolgt vorab an einem Ring 52 der bei der Montage am Abgaskanal 12 befestigt wird. Alternativ ist auch eine Befestigung über Streben an der Blende 34 durchführbar.
Auch diese Ausführung der Mittel 32 zur Strömungsablenkung sorgt für ein achssymmetrisches Einströmen des Abgasstroms unter einem Winkel in den Luftstrom, so dass dem Abgasstrom eine radiale Komponente aufgezwungen wird, die dazu führt, dass Wirbel in einer Richtung entstehen, die den Wirbeln aufgrund der Einschnürung durch die Blende 34 entgegengesetzt ist, so dass große Turbulenzen entstehen, die eine sehr gute Durchmischung der beiden Gasströme zur Folge haben. Die stetige Umlenkung sorgt für geringe Druckverluste.
Beide Ausführungen eignen sich entsprechend zur Verbesserung der Durchmischung und Homogenisierung des Abgasstroms, so dass eine repräsentative Probeentnahme ermöglicht wird. Dies führt zu besseren Versuchsergebnissen bei der Analyse der Schadstoffbelastungen, ohne dass die Leistung der Förderpumpen erhöht werden muss, da vorhandene Druckverluste möglichst klein gehalten werden.
Es sollte deutlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs des vorliegenden Hauptanspruchs möglich sind.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen mit
einem Abgaskanal (12), welcher über einen Abgaseinlass (10) mit einer Abgasquelle (14) fluidisch verbunden ist,
einem Luftkanal (20), in den über einen Luftfilter (28) Umgebungsluft ansaugbar ist,
einer Mischzone (36), die stromabwärts eines Ausströmquerschnitts (18) des Abgaskanals (12) angeordnet ist,
einem Verdünnungstunnel (38), durch den ein Abgas-Luft-Gemisch strömt,
wobei der Ausströmquerschnitt (18) des Abgaskanals (12) im Wesentlichen konzentrisch im Luftkanal (20) angeordnet ist und stromabwärts des Ausströmquerschnitts (18) des Abgaskanals (12) im Verdünnungstunnel (38) eine Ringblende (34) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts der Blende (34) und stromabwärts des Ausströmquerschnitts (18) des Abgaskanals (12) Mittel (32, 44, 50) angeordnet sind, über welche der Abgasstrom derart abgelenkt wird, dass sich der Abgasstrom unmittelbar stromabwärts der Mittel (32, 44, 50) achssymmetrisch von der Mittelachse des Verdünnungstunnels (38) entfernt.
2. Aniage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel (32) zur Strömungsablenkung durch einen Körper (44) gebildet sind, der eine Kugelzone aufweist und konzentrisch im Verdünnungstunnel (38) angeordnet ist.
Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugelzone eine Halbkugel (44) ist.
Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugelzone (44) elektropoliert ist.
Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugelzone (44) ein zentrales Loch (46) aufweist.
Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kugelzone (44) oder die Blende (34) beheizbar sind.
Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der stromabwärtigen Oberfläche der Kugelzone (44) oder der Blende (34) eine Heizfolie angeordnet ist.
Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Projektionsfläche der Kugelzone(44) in Richtung der Mittelachse zumindest dem Ausströmquerschnitt (18) des Abgaskanals (12) entspricht.
9. Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Durchströmungsquerschnitt der Blende (34) dem 1,2 bis 1,8- fachen des Querschnitts der Mittel (32, 44) zur Strömungsablenkung entspricht.
10. Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand der Mittel (32, 44) zur Strömungsablenkung vom Ausströmquerschnitt (18) des Abgaskanals (12) ein Drittel bis ein Fünftel der Differenz des Durchmessers des Luftkanals (20) und des Durchmessers des Abgaskanals (12) beträgt.
11. Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand der Mittel (32, 44, 50) zur Strömungsablenkung zur Blende (34) ein Drittel bis ein Fünftel des Durchmessers des Luftkanals (20) beträgt.
12. Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel (32, 50) zur Strömungsablenkung durch mehrere zur Mittelachse symmetrisch zueinander angeordnete Ausströmrohre (50) gebildet sind.
13. Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
vier Ausströmrohre (50) um 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
14. Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die vier Ausströmrohre (50) sich in unmittelbarer Nähe des Abgaskanals (12) oder im Abgaskanal (12) zunächst parallel zur Mittelachse erstrecken und im folgenden Verlauf außerhalb des Abgaskanals (12) stetig von der Mittelachse entfernend gebogen sind.
15. Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittsquerschnitte der Ausströmrohre (50) zur Mittelachse des Verdünnungstunnels einen Winkel von 30° bis 80° einschließen.
16. Anlage zur Entnahme von Abgasproben von Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel (32, 44, 50) zur Strömungsablenkung über zumindest einen, vorzugsweise drei Streben (48) an der Blende (34) befestigt sind.
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